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Elektromechanisches Bandfilter
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Plattenränder an den einzelnen Platten befestigt sind. Abgesehen davon, dass die Befestigung der Koppelelemente zusätzlichen Aufwand deshalb erfordert, weil einerseits die Koppelelemente durch in den Platten vorgesehene Bohrungen hindurchgeführt werden müssen und weil anderseits jeweils aufeinanderfolgende Koppelelemente an gegenüberliegenden Plattenrändern befestigt sind, tritt bei diesem bekannten Filter noch eine zusätzliche unerwünschte Kopplung dann auf, wenn die einzelnen Platten einander sehr eng benachbart werden müssen. In diesem Fall wirkt nämlich ausser der gewünschten Kopplung über die Koppelelemente eine weitere Kopplung über den zwischen den einzelnen Platten gelegenen Luftraum.
Durch die österr. Patentschrift Nr. 249119 sind ferner elektromechanische Filter bekanntgeworden, deren Resonatoren als Biegeschwinger arbeiten, die über im Bereich der Schwingungsmaxima liegende Koppelelemente miteinander gekoppelt sind. Bei diesen bekannten Filtern sind die einzelnen Resonatoren mit Abplattungen in der Weise versehen, dass in den Resonatoren zwei aufeinander senkrechte Biegeeigenschwingungen entstehen, die über die Abplattungen in vorgegebenem Mass zur Erzielung der erforderlichen Filterbandbreite gekoppelt sind. Wie sich zeigt, erhält man schon bei verhältnismässig geringen Abplattungen eine verhältnismässig starke Kopplung zwischen den aufeinander senkrecht stehenden Biegeeigenschwingungen, was insbesondere bei der Realisierung schmalbandiger Filter störend in Erscheinung tritt.
Darüber hinaus geht eine nachträgliche Korrektur der Abplattung auch auf die Frequenzlage der in den Resonatoren angeregten Eigenschwingungen ein und es ergeben sich auch fertigungstechnische Probleme bei der Halterung der Filter auf einer Grundplatte, da auch in den Halteelementen mehrere Eigenschwingungen auftreten.
Weiterhin ist es beispielsweise durch die österr. Patentschrift Nr. 236061 für sich bereits bekanntgeworden, Biegeschwingungen ausführende Resonatoren eines mechanischen Filters durch auf Torsion beanspruchte Koppelelemente in einem Gehäuse od. dgl. zu haltern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einleitend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismässig einfacher Weise abzuhelfen. Insbesondere soll ein Weg zum Aufbau eines mechanischen Filters angegeben werden, das sich weitgehend automatisch herstellen lässt, ohne dass eine Minderung der Obertragungsqualität eintritt ; dabei soll gleichzeitig eine möglichst geringe Exemplarstreuung erreicht werden, so dass der für den Filterabgleich erforderliche Aufwand möglichst gering bleibt.
Bei einem elektromechanischen Bandfilter mit mehreren mechanischen Biegeresonatoren, die aus mit einer Abplattung versehenen zylindrischen Stäben metallischen Materials bestehen und die derart angeordnet sind, dass ihre Längsachsen zueinander parallel verlaufen, und bei dem die einzelnen Resonatoren über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind, das jeweils im Bereich eines Schwingungsbauches an den einzelnen Biegeresonatoren befestigt ist, und bei dem weiterhin zumindest die Endresonatoren mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlerelementen versehen sind, wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst : a) die einzelnen Biegeresonatoren sind über in den Schwingungsknoten angreifende, auf Torsion beanspruchte Halteelemente auf einer Grundplatte befestigt ;
b) die Befestigung der Biegeresonatoren an der Grundplatte erfolgt in der Weise, dass die an den Biegeresonatoren vorgesehenen Abplattungen zur Grundplatte parallel oder senkrecht verlaufen, und dass die Befestigungspunkte für das Koppelelement in einer zu den Resonatoren tangentialen Ebene liegen ; c) das Koppelelement ist in Form eines durchgehenden Drahtes ausgebildet, der senkrecht zu den Längsachsen der Biegeresonatoren verläuft.
In verhältnismässig einfacher Weise lassen sich Dämpfungspole im Sperrbereich der Filtercharakteristik in der Weise erzeugen, dass wenigstens ein zusätzliches Koppelelement an einander nicht unmittelbar benachbarten Biegeresonatoren befestigt ist, das entweder gleichphasig oder gegenphasig schwingende Abschnitte dieser Resonatoren miteinander verbindet.
Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, ist es hinsichtlich der Eindeutigkeit der auftretenden Schwingungsformen günstig, wenn die Abmessungen der an den Biegeresonatoren vorgesehenen Abplattungen derart gewählt sind, dass die senkrecht zur Abplattung und die parallel zur Abplattung auftretenden Biegeeigenschwingungen hinsichtlich ihrer Frequenzlage sich um wenigstens ein Prozent unterscheiden.
An Hand eines Ausführungsbeispieles wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein mechanisches Filter, dessen Resonatoren --3-- als z} lindrische Stäbe eines metallischen Materials ausgebildet sind. Als Material eignet sich insbesondere Stahl mit einem verhältnismässig geringen Temperaturkoeffizienten der Frequenz. Die einzelnen Stäbe sind mit
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die Abplattungen--4--der Grundplatte--7--zugewandt sind. Die Endresonatoren--3'--sind an sich in der gleichen Weise wie die Resonatoren --3-- ausgebildet. Zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. umgekehrt der mechanischen in elektrische Schwingungen, sind die Endresonatoren--3'--mit einem elektrostriktiv wirkenden Wandlersystem versehen, dessen Wirkungsweise im einzelnen später noch erläutert wird.
Zur Kopplung der einzelnen Resonatoren ist ein durchgehender Koppeldraht--10--vorgesehen, der insbesondere kreisförmigen Querschnitt hat und der im Bereich eines Schwingungsbauches--11--an der der Abplattung --4-- diametral gegenüberliegenden Mantellinie--9--an den Biegeresonatoren--3-bzw. den Endresonatoren --3'-- befestigt ist. Zur Verbindung des Koppeldrahtes-10-mit den einzelnen Resonatoren eignet sich besonders eine Schweissverbindung. In Fig. 2 ist dieser besondere Aufbau nochmals in einer Seitenansicht dargestellt, aus der zu erkennen ist, dass der Koppeldraht --10-- praktisch nahezu punktförmig an den Resonatoren--3--aufliegt, so dass für den Schwingungsvorgang eine Behinderung der Resonatoren durch das Koppelelement praktisch nicht möglich ist.
Die Anregung der Biegeschwingungen erfolgt in der Weise, dass die einzelnen Resonatoren in Richtung des Doppelpfeiles--20--, also parallel zur Grundplatte schwingen, so dass das Koppelelement reine Längsschwingungen ausführt. Wegen der Befestigung des Koppelelementes im Schwingungsmaximum ergibt sich bereits eine verhältnismässig starke Kopplung. Ausserdem wirkt der Längskoppler, da seine Koppelwirkung durch Zug-und Druckkomponenten zustande kommt, von Haus aus als fest koppelndes Koppelelement, so dass sich mit verhältnismässig dünnen Querschnitten des Koppelelements bereits eine verhältnismässig starke Kopplung und somit eine verhältnismässig grosse Bandbreite des Filters erzielen lässt.
Wegen des geringen Querschnittes, der für das Koppelelement - erforderlich ist, werden unerwünschte Nebenschwingungen, wie beispielsweise Biege-oder Scherkomponenten, vom Koppelelement --10-- praktisch nicht übertragen, so dass unerwünschte Nebenwellen selbst dann nahezu nicht auf nachfolgende Resonatoren bzw. auf den Filterausgang weitergeleitet werden, wenn in einzelnen Resonatoren von der Biegeschwingung abweichende Schwingungsformen auftreten würden, die das Koppelelement--10--in einer von der Längsschwingung abweichenden Schwingungsform beanspruchen.
Zur Nebenwellenfreiheit trägt ferner ein elektrostriktiv wirkendes, elektromechanisches Wandlersystem bei, wie es in den Endresonatoren --3'-- eingezeichnet ist. Die Endresonatoren - sind hiezu durch die aus elektrostriktivem Material, wie beispielsweise einer Bleikeramik, bestehenden Klötzchen --12, 12', 13 und 13'-unterteilt.
Zwischen den Klötzchen-12, 12' und 13, 13'-- ist englang der neutralen Faser ein Spalt --14-- freigelassen. Ferner sind die aus elektrostriktiv aktivem Material bestehenden Klötzchen--12, 12', 13, 13'-- mit einer Vorpolarisation in der Weise versehen, dass sich die auf der einen Seite der neutralen Faser liegenden Klötzchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Richtung der Längsachse--8--ausdehnen, während sich gleichzeitig die auf der andern Seite der neutralen Faser liegenden Klötzchen zusammenziehen. Im einzelnen ist die Vorpolarisation so gewählt, dass jeweils auf der gleichen Seite der neutralen Faser liegende Klötzchen in Richtung der Resonatorlängsachse betrachtet, entgegengesetzt polarisiert sind.
Diese Polarisation ist durch die Pfeile-15, 15', 16 und 16'-angedeutet. Vom Mittelteil des
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--3'-- führtOber die aus metallischem Material bestehenden Haltedrähte--6--liegt somit die an die Eingangsklemmen--l und 2--angelegte Spannung zwischen dem Mittelteil und den beiden äusseren
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Anlegen einer Wechselspannung an die Anschlussklemmen--l und 2--werden in der einen Halbwelle wegen der entgegengesetzt gerichteten Vorpolarisation beispielsweise die Klötzchen--12 und 12'-ausgedehnt und gleichzeitig die Klötzchen--13 und 13'--zusammengezogen.
In der nächsten Halbwelle der elektrischen Wechselspannung kehrt sich dieser Vorgang um, so dass der mit den Eingangsklemmen --1 und 2-- verbundene Endresonator --3'-- ausgeprägte Biegeschwingungen immer dann ausführt, wenn seine Eigenresonanzfrequenz mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung übereinstimmt. Diese Biegeschwingungen werden durch das Koppelelement--10-auf die nachfolgenden Resonatoren --3-- übertragen und gelangen schliesslich an den den
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Ausgangsklemmen-l', 2'-- zugewandten Endresonator--3'--. Dieser zweite Endresonator ist genauso aufgebaut wie der Eingangsresonator.
Wegen der vom zweiten Endresonator ausgeführten Biegeschwingungen werden die in ihm vorgesehenen elektrostriktiven Wandlerelemente Dehnungen und Verkürzungen unterworfen, so dass zwischen dem Mittelteil und den beiden Aussenteilen eine elektrische Wechselspannung entsteht, die an den Ausgangsklemmen --1'und 2'-- als Ausgangswechselspannung abgenommen werden kann.
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ebenso wie das eigentliche Koppelelement --10-- an den der Abplattung --4-- diametral gegenüberliegenden Mantellinie--9--an den Resonatoren befestigt ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist das zusätzliche Koppelelement--18--in der Weise angebracht, dass eine geradzahlig Anzahl von Resonatoren überbrückt wird, und dass die Befestigung an gegenphasig schwingenden Abschnitten zweier nicht unmittelbar benachbarter Resonatoren erfolgt. Durch diese Ausbildung lassen sich ein Dämpfungspol unterhalb und ein Dämpfungspol oberhalb des Filterdurchlassbereiches erzielen, deren Abstand vom Durchlassbereich durch die Stärke der zusätzlichen Verkopplung, d. h. also im wesentlichen durch den Querschnitt des zusätzlichen Koppelelements--18--, eingestellt werden kann. Je nach der Lage der gewünschten Dämpfungspole können auch eine ungerade Anzahl von Resonatoren überbrückt werden.
Dabei können gleichphasig oder gegenphasig schwingende Abschnitte einander nicht unmittelbar benachbarter Resonatoren zusätzlich miteinander verkoppelt werden. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise einen Dämpfungspol entweder unterhalb oder oberhalb des Filterdurchlassbereiches zu erzielen. Je nach der Ausbildung der zusätzlichen Verkopplung lassen sich auch Dämpfungspole bei nicht reellen Frequenzen erzeugen, wodurch sich die Laufzeit eines das Filter durchlaufenden Signals beeinflussen lässt.
Im einzelnen ergeben sich durch den erfindungsgemässen Aufbau des Filters noch folgende Vorteile.
Das gezogene Halbzeug für Resonatoren und Koppelelemente lässt sich einfach und gleichmässig herstellen. Die tangentiale Verschweissung zweier runder Teile, deren Längsachsen zumindest annähernd senkrecht zueinander stehen, ergibt eine sehr gleichmässige Schweissstelle und damit eine sehr gleichmässige Verkopplung zwischen dem Koppelelement und den Resonatoren. Dadurch wird wieder Abgleicharbeit an den Koppelelementen eingespart oder unter Umständen ganz erübrigt. Da die Schweissung im Bereich der neutralen Faser erfolgt, werden durch den Schweissvorgang im Resonator keine für das Schwingungsverhalten massgebenden Zonen nachteilig beeinflusst. Die näherungsweise runden Resonatoren--3--haben den weiteren Vorteil, dass sie selbst bei sehr gedrängtem Aufbau sich nicht gegenseitig durch Luftschall unzulässig stören.
Die Querschnittsform der im Beispiel in Fig. 1 gezeigten Resonatoren wird durch Anschleifen von zunächst runden Stäben erzeugt. Durch die Abplattung--4--lassen sich die auch bei Resonatoren kreisförmigen Querschnitts infolge von Inhomogenitäten des Materials und des Querschnitts stets auftretenden zwei orthogonalen Eigenschwingungen auf einen definierten Abstand bringen, und somit eine eindeutige Orientierung der beiden Schwingungsebenen--19, 20-- erreichen. In der Praxis zeigt sich, dass die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nicht ausgenutzte Eigenschwingung --19-- einen Frequenzabstand von wenigstens einem Prozent gegenüber der ausgenutzten Schwingung--20-haben sollte bzw. ausreichend ausserhalb des Filterdurchlassbereiches liegen sollte.
Gegenüber der in Fig. 1 gezeichneten Lage können nämlich die Resonatoren um 900 um ihre Längsachse gedreht sein, wodurch sich die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ergibt. In diesem Fall bilden die Abplattungen --4-- mit der Grundplatte--7--einen Winkel von 900. Sowohl bei einem Aufbau nach Fig. 1 als auch bei einem Aufbau nach Fig. 3 bilden die Abplattungen --4-- eine definierte Anlagefläche, die eine genaue Ausrichtung des Resonatoren beim Zusammenbau gestattet. Dadurch wird eine eindeutig reproduzierbare Anbringung des Koppelelements und der Haltedrähte erreicht. Die abgeplattete Querschnittsform lässt sich auch unmittelbar beim Ziehvorgang der für die Resonatoren-3, 3'- verwendeten Stäbe erzeugen.
Filter in der beschriebenen Form haben trotz der starken Unsymmetrie praktisch keine störenden Nebenwellen. Dazu trägt wesentlich die Verwendung solcher Endresonatoren bei, die über den longitudinalen Piezoeffekt zu Biegeschwingungen angeregt werden und die somit ausschliesslich auf Biegeschwingungen ansprechen, wie es im einzelnen für die Endresonatoren--3'--beschrieben ist.
Durch die gewählte Form des Filters lässt sich ein wesentlicher Teil der zu seiner Herstellung notwendigen Arbeiten in einem verhältnismässig einfachen Automaten verrichten. Dazu gehört das Anschweissen der Haltedrähte--6--, der Abgleich der aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehenden Resonatoren, das Zusammenschweissen der Stahl-und Endresonatoren mit dem Koppeldraht-10-
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und das Einschweissen des Filtersystems in eine Grundplatte --7-- bzw. in ein Gehäuse.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromechanisches Bandfilter mit mehreren mechanischen Biegeresonatoren, die aus mit einer Abplattung versehenen zylindrischen Stäben metallischen Materials bestehen und die derart angeordnet sind, dass ihre Längsachsen zueinander parallel verlaufen, und bei dem die einzelnen Resonatoren über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind, das jeweils im Bereich eines Schwingungsbauches an den einzelnen Biegeresonatoren befestigt ist, und bei dem weiterhin zumindest die Endresonatoren mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlerelementen versehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale : a) die einzelnen Biegeresonatoren (3, 3') sind über in den Schwingungsknoten (5) angreifende, auf Torsion beanspruchte Halteelemente (6) auf einer Grundplatte (7) befestigt ;
b) die Befestigung der Biegeresonatoren (3, 3') an der Grundplatte (7) erfolgt in der Weise, dass die an den Biegeresonatoren (3, 3') vorgesehenen Abplattungen (4) zur Grundplatte (7) parallel oder senkrecht verlaufen, und dass die Befestigungspunkte für das Koppelelement (10) in einer zu den Resonatoren tangentialen Ebene liegen ; c) das Koppelelement ist in Form eines durchgehenden Drahtes (10) ausgebildet, der senkrecht zu den Längsachsen (8) der Biegeresonatoren (3, 3') verläuft.
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